研究背景
界面鐵電性是指在非中心對(duì)稱的異質(zhì)結(jié)構(gòu)中，由不同材料層間相互作用而產(chǎn)生的鐵電現(xiàn)象。隨著范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)的研究深入，界面鐵電性因其在非揮發(fā)性存儲(chǔ)、拓?fù)潆娏髑袚Q、超導(dǎo)性調(diào)控以及模擬神經(jīng)突觸響應(yīng)等方面的潛在應(yīng)用，成為了研究熱點(diǎn)。然而，現(xiàn)有的研究主要集中在雙層石墨烯和氮化硼等材料的異質(zhì)結(jié)構(gòu)中，且多涉及摩爾超晶格結(jié)構(gòu)，這對(duì)組成材料和扭曲角度提出了較高的要求，限制了其在實(shí)際應(yīng)用中的廣泛使用。尤其是鐵電性與伴隨庫(kù)倫屏蔽效應(yīng)的機(jī)制仍未完全明確，尤其是如何在無(wú)摩爾界面的范德華材料中實(shí)現(xiàn)這一現(xiàn)象，成為了研究中的一大挑戰(zhàn)。
為了解決這一問(wèn)題，北京大學(xué)物理學(xué)院凝聚態(tài)物理與材料物理研究所路建明研究員、山西大學(xué)Zheng Vitto Han以及電子科技大學(xué)彭波教授合作在“Nature Nanotechnology”期刊上發(fā)表了題為“Ferroelectricity with concomitant Coulomb screening in van der Waals heterostructures”的最新論文。科學(xué)家們提出了在不同的范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)中引入鐵電性與庫(kù)倫屏蔽效應(yīng)的新方法。通過(guò)研究單層石墨烯、氮化硼和過(guò)渡金屬硫化物等材料的界面堆疊結(jié)構(gòu)，研究者們發(fā)現(xiàn)鐵電性可能源自于堆垛缺陷或非中心對(duì)稱堆疊結(jié)構(gòu)，而不依賴于摩爾超晶格。
具體而言，研究者通過(guò)構(gòu)建BN/單層石墨烯/BN和BN/WSe2/單層石墨烯/WSe2/BN等異質(zhì)結(jié)構(gòu)，成功觀察到鐵電滯回現(xiàn)象，進(jìn)一步證明鐵電性與庫(kù)倫屏蔽效應(yīng)可以在無(wú)摩爾界面的材料中實(shí)現(xiàn)。這一結(jié)果為擴(kuò)展鐵電性材料的應(yīng)用領(lǐng)域提供了新的思路，尤其是在集成多種功能的器件設(shè)計(jì)中，放寬了材料和設(shè)計(jì)的限制。
研究亮點(diǎn)
1）實(shí)驗(yàn)首次在無(wú)摩爾界面的不同范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)了鐵電性與伴隨庫(kù)倫屏蔽效應(yīng)，得到了單層石墨烯和過(guò)渡金屬硫化物（如WSe2）層中的鐵電滯回響應(yīng)。
2）實(shí)驗(yàn)通過(guò)在BN/單層石墨烯/BN以及BN/WSe2/單層石墨烯/WSe2/BN異質(zhì)結(jié)構(gòu)中進(jìn)行堆疊，成功消除了摩爾超晶格效應(yīng)，從而避免了石墨烯中強(qiáng)電子關(guān)聯(lián)效應(yīng)，證明了鐵電性源自于BN薄片中的堆垛缺陷。
3）實(shí)驗(yàn)通過(guò)將含有堆垛缺陷的BN替換為多層扭曲MoS2，觀察到類似的鐵電滯回現(xiàn)象，進(jìn)一步表明滑動(dòng)鐵電性是導(dǎo)致鐵電性與庫(kù)倫屏蔽效應(yīng)的關(guān)鍵因素。
4）實(shí)驗(yàn)通過(guò)控制鐵電材料的極化場(chǎng)，成功實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)電鐵電材料對(duì)柵電場(chǎng)的屏蔽作用，從而只通過(guò)鐵電極化場(chǎng)控制單層石墨烯的電子態(tài)，證明了滑動(dòng)鐵電性能夠有效緩解傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中的材料和構(gòu)建約束。
圖文解讀
圖1: 單層石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)的鐵電性。
圖2: 在多層轉(zhuǎn)角MoS2中，觀察到的鐵電性。
圖3: 偏振開關(guān)的動(dòng)力學(xué)。
圖4: 鐵電性臺(tái)階Ladders 。
總結(jié)展望
在本文中，作者確立了不同范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)中觀察到的鐵電性與庫(kù)倫屏蔽效應(yīng)來(lái)源于具有有限導(dǎo)電性的滑動(dòng)鐵電體。這些發(fā)現(xiàn)消除了對(duì)器件構(gòu)建的嚴(yán)格限制，例如精確的扭曲角度或組成材料的有限選擇。首先，鐵電異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的單層石墨烯作為檢測(cè)器。它不需要與封裝材料晶體對(duì)齊，可以替換為任何對(duì)電場(chǎng)敏感的材料。例如，當(dāng)使用伯納爾雙層或扭曲雙層石墨烯時(shí)，它們的鐵電開關(guān)效應(yīng)，包括CNP峰、拓?fù)湎嗪统瑢?dǎo)性，應(yīng)能得到復(fù)現(xiàn)。其次，界面鐵電性的組成層可以擴(kuò)展到大量非極性范德華材料，包括氮化硼和過(guò)渡金屬二硫化物（MX2，M?=?Mo, W; X?=?S, Se, Te），只要它們被摻雜以具備導(dǎo)電性。隨著單層材料的大規(guī)模合成和堆疊技術(shù)的進(jìn)步，帶有庫(kù)倫屏蔽效應(yīng)的鐵電器件有望實(shí)現(xiàn)大規(guī)模陣列，用于基于存儲(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)，推動(dòng)具有仿生功能或內(nèi)存計(jì)算的實(shí)際應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)。
原文詳情：
Niu, R., Li, Z., Han, X. et al. Ferroelectricity with concomitant Coulomb screening in van der Waals heterostructures. Nat. Nanotechnol. (2025). https://doi.org/10.1038/s41565-024-01846-4
